劉慧麗, 陳 浩,2,*, 董廷旭,2, 馬 麗, 諸 鑫, 黃天志

1 綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院, 綿陽 621000 2 生態(tài)安全與保護四川省重點實驗室, 綿陽 621000

陸地生態(tài)系統(tǒng)與氣候系統(tǒng)變化之間的響應(yīng)是國際地圈—生物圈計劃的重要研究內(nèi)容[1—2]。植被作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)最關(guān)鍵的組成部分之一,是連接大氣、土壤和水之間的天然橋梁[3],在氣候系統(tǒng)調(diào)節(jié)、水土保持、物質(zhì)能量交換等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,被稱為監(jiān)測區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要“指示器”[4]。NDVI是反映區(qū)域植被生長狀態(tài)及覆蓋狀況的有效指標,廣泛應(yīng)用于植被變化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等研究[5—7]。在全球變化背景下,地表植被覆蓋動態(tài)特征及其對氣候變化的響應(yīng)是目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點[5—6,8—10]。

國內(nèi)外學(xué)者基于連續(xù)時間序列GIMMS NDVI(1981—2015)和MODIS NDVI數(shù)據(jù)集,在不同時空尺度上對植被NDVI和氣候因子的關(guān)系進行了深入研究,且主要集中于對區(qū)域尺度的植被NDVI變化趨勢與氣候之間的響應(yīng)關(guān)系[11—15]。大多數(shù)學(xué)者基于MODIS NDVI數(shù)據(jù),利用一元線性回歸趨勢分析與相關(guān)分析對攀西地區(qū)[16]、川西高山高原過渡帶[17]、若爾蓋濕地[18]、四川省[19]等地區(qū)的植被覆蓋變化及其對氣候變化的響應(yīng)進行了研究,發(fā)現(xiàn)四川省區(qū)域內(nèi)植被生長受氣溫和降水的共同影響下呈現(xiàn)出明顯的時空分布差異。近年來,眾多學(xué)者如Li等[10]、曹永強等[20]、拉巴等[21]在區(qū)域植被變化的研究中,大部分是以整個區(qū)域為研究單元,忽略了不同地貌環(huán)境中植被生長的差異。如中等尺度區(qū)域在地形地貌干擾下形成局部微氣候的差異,影響區(qū)域植被群落生物量和多樣性分布,從而使不同植被類型對氣候變化的響應(yīng)程度有所差別。為了更細致的分析區(qū)域植被覆蓋及氣候變化特征,部分學(xué)者從地貌類型分區(qū)的角度出發(fā),做了一些新的研究。如劉志紅等[22]研究發(fā)現(xiàn)黃土高原植被變化與降雨量變化關(guān)系密切, 但不同地貌類型區(qū)情況存在差異,其中黃土高原植被NDVI與降水呈顯著正相關(guān),平原地區(qū)和石質(zhì)山地植被NDVI與降水的相關(guān)性不大。龐國偉等[23]研究表明陜西省黃土高原區(qū)北部NDVI與降水呈正相關(guān),秦巴山地區(qū)NDVI與氣溫呈負相關(guān)。徐勇等[24]對西南地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)四川盆地東北部和橫斷山地東南部植被NDVI受氣溫正效應(yīng)影響顯著,而若爾蓋高原和橫斷山地西南部部分地區(qū)植被生長則受降水正效應(yīng)驅(qū)動。以往上述研究表明不同地貌分區(qū)的植被生長及對氣候因子變化的響應(yīng)具有明顯的空間異質(zhì)性。徐勇等[24]研究還發(fā)現(xiàn)在氣候變化影響下,四川盆地植被NDVI增長速率最慢,因該區(qū)以耕地、種植農(nóng)作物為主,植被覆蓋趨于良好,因此上升趨勢較為平緩。目前,鮮有學(xué)者結(jié)合地貌與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之間的關(guān)系[25],從農(nóng)業(yè)地貌分區(qū)的角度對區(qū)域植被及氣候變化進行研究。農(nóng)業(yè)作為我國的重要產(chǎn)業(yè),生產(chǎn)與發(fā)展受到地貌、氣候、土壤、水文等多種因素影響,不同的地貌條件產(chǎn)生不同的水熱條件,進而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、作物種植布局與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的多樣性。農(nóng)業(yè)地貌分區(qū)是按照地貌形態(tài)、水熱條件、農(nóng)業(yè)發(fā)展方向、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用等自然條件進行劃分的[26—27]。

四川、重慶地處西南腹地,作為我國長江上游重要生態(tài)屏障和經(jīng)濟區(qū),因地理條件的特殊性,地形、氣候和植被條件復(fù)雜多樣,生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化非常脆弱和敏感,屬于全球氣候變化敏感區(qū)[28—29]。近年來,在全球氣候變暖和區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下,川渝地區(qū)植被覆蓋發(fā)生了深刻變化[19,30—31]。四川、重慶作為我國農(nóng)業(yè)資源豐富的兩大省市,從農(nóng)業(yè)地貌分區(qū)視角分析地區(qū)植被NDVI動態(tài)及其與氣候變化之間的關(guān)系能夠更好地揭示氣候變化對區(qū)域植被的影響,對響應(yīng)全球氣候變化及區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展具有重要意義。本文基于歸一化差值植被指數(shù)(NDVI),以不同農(nóng)業(yè)地貌分區(qū)的角度分析了1999—2018年川渝地區(qū)植被覆蓋的變化規(guī)律,并根據(jù)氣溫、降水等氣象數(shù)據(jù)分析植被與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系,旨在為該區(qū)域特別是經(jīng)濟發(fā)展區(qū)及長江上游地區(qū)的生態(tài)保護和農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

川渝地區(qū)(東經(jīng)97°21′—110°11′,北緯26°03′—34°19′)是指四川省和重慶市兩地,位于我國西南,總面積約56.84×104km2,因兩地位置相鄰,生活習(xí)俗等各方面又較為接近,故以“川渝”作為兩地的合稱[31]。該地區(qū)位于中國第一、二階梯的過渡地帶,具有顯著的相對高度差,地勢西北部高東南低[4,30]。以龍門山—大相嶺—大涼山為界,東部以盆地、丘陵為主,年降水量在1000 mm以上,年平均氣溫16—18℃,冬暖夏熱,屬亞熱帶季風(fēng)氣候;西部以高原、山脈為主,年降水量為500—900 mm,平均氣溫為4—12℃,冬寒夏涼,高原氣候垂直變化明顯[4,32]。復(fù)雜地形和不同季風(fēng)環(huán)流模式的影響導(dǎo)致川渝地區(qū)氣候復(fù)雜多樣,空間差異較大[33]。區(qū)內(nèi)植被類型眾多,以亞熱帶常綠闊葉林、針葉林、灌叢和高原山地高寒草甸為主,土壤種類豐富[4,19,32]。根據(jù)農(nóng)業(yè)地貌分區(qū)標準[26],該研究區(qū)可分為4個大區(qū)、16個亞區(qū),本文主要以4個大區(qū)劃分,從東向西依次為:盆周山地區(qū)(II區(qū)又分為盆周北緣-東北緣山地、盆周東-東南-南緣山地、盆周西南緣山地、盆周西北緣山地)、四川盆地區(qū)(I區(qū)又分為盆西平原、盆中丘陵、盆東平行嶺谷、盆北低山丘陵、盆南低山丘陵)、川西南山地區(qū)(III區(qū)又分為西北部中山峽谷、大涼山山原、南部山地、西南部鹽源盆地)、川西高山高原區(qū)(IV區(qū)又分為丘狀高原和高平原、高山原深谷、高山峽谷)。其中IV區(qū)所占面積最大,III區(qū)所占面積最小,如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

1.2 數(shù)據(jù)及處理

NDVI月度植被指數(shù)數(shù)據(jù)集來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/),空間分辨率為1 km,時間序列為1999—2018年,植被NDVI數(shù)據(jù)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換、投影變換及重采樣,采樣大小為500 m×500 m,空間參考為WGS 1984/ Asia North Albers Equal Area Conic,采用均值合成法[34]進一步獲取年平均NDVI數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.cma.cn/)提供的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0),包括研究區(qū)內(nèi)及周圍的77個氣象站點的氣溫、降水,研究時間為1999—2018年,數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴格的質(zhì)量控制,并對缺測異常數(shù)據(jù)進行線性插補,最后通過反距離加權(quán)法(IDW)插值[20]獲得與NDVI相同分辨率及投影坐標系的氣象柵格數(shù)據(jù)。

2000年和2018年中國土地利用類型數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/),空間分辨率為1 km,土地利用數(shù)據(jù)按一級分類分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地。

中國植被類型數(shù)據(jù)集來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/),空間分辨率為1 km,按植被類型一級分類,本文分為農(nóng)作物、森林、灌叢、草原、沼澤等5種植被類型。所有數(shù)據(jù)均采用最鄰近法進行重采樣至500 m,且重投影與NDVI一致。

2 研究方法

2.1 植被覆蓋等級劃分

本文通過NDVI表征植被覆蓋度,參考前人對NDVI與植被覆蓋的相關(guān)研究[34—35],并結(jié)合區(qū)域植被覆蓋狀況,采用等間距法將NDVI劃分為5個等級,如表1:

表1 植被覆蓋等級統(tǒng)計

2.2 Sen趨勢分析

Theil-Sen Median趨勢分析是一種非參數(shù)統(tǒng)計方法[8],其優(yōu)點不需要樣本遵循特定分布,計算效率高且對異常值不敏感,不會降低其準確性,具有避免測量誤差或異常數(shù)據(jù)的強大能力[8,10,36]。對不同線性回歸模型的比較表明,該方法在小樣本的情況下具有顯著優(yōu)勢[8]。計算公式為:

(1)

式中,β是植被變化的趨勢,NDVIi和NDVIj分別是時間i和j的NDVI值。β>0表示植被NDVI呈現(xiàn)上升的趨勢,反之則表示植被NDVI呈現(xiàn)下降的趨勢。

2.3 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall(MK)檢驗是一種非參數(shù)檢驗,這意味著不需要事先假設(shè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布。歸一化統(tǒng)計量Z主要用于測試時間序列的趨勢和顯著性[8]。Mann-Kendall檢驗用于判斷變化趨勢的顯著性,相關(guān)計算如下[10,36]:

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,n是時間序列中數(shù)據(jù)樣本點的數(shù)量。Sen+MK相結(jié)合,以確定研究期間植被覆蓋的增加或減少趨勢[3,8,10,34,36]。本文根據(jù)β值所表征的植被變化趨勢,結(jié)合植被變化趨勢顯著性檢驗結(jié)果,參考曹永強等[20]的研究方法,取α=0.05和α=0.01的顯著性水平下的統(tǒng)計量Z值為臨界值,將NDVI變化趨勢劃分為6個等級:極顯著減少(β<0,|Z|>2.58)、顯著減少(β<0,1.96<|Z|≤2.58)、不顯著減少(β<0,|Z|≤1.96)、不顯著增加(β>0,|Z|≤1.96)、顯著增加(β>0,1.96<|Z|≤2.58)、極顯著增加(β>0,|Z|>2.58)。

2.4 偏相關(guān)分析

由于氣溫和降水都會影響NDVI,偏相關(guān)分析可以消除第三個變量的影響,僅分析前兩個變量之間的相關(guān)性[37]。計算公式如下:

(6)

(7)

式中,rNDVIT·P表示排除P的影響后NDVI和T的偏相關(guān)系數(shù),rNDVIP·T表示排除T的影響后NDVI和P的偏相關(guān)系數(shù),當(dāng)T為氣溫,P為降水。對偏相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗,根據(jù)系數(shù)的大小進行顯著性判斷[24,38],通過查找相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗臨界值表獲得顯著性臨界值(樣本個數(shù)為20時,在α=0.05和α=0.01顯著性水平下的臨界值r分別為0.4438和0.5614),依據(jù)檢驗結(jié)果將其劃分為6類:極顯著負相關(guān)(-1≤r<-0.5614)、顯著負相關(guān)(-0.5614

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI時間變化特征

川渝地區(qū)植被覆蓋狀況在整個研究期間呈現(xiàn)不斷改善特征(圖2),平均NDVI為0.5030,最高年平均NDVI為0.5532(2017年),最低年平均NDVI為0.4562(2001年),年均NDVI總體呈波動上升趨勢,增長速率為0.0047/a(P<0.05)。川渝地區(qū)植被年NDVI變化以2012年為拐點可分為兩個階段:緩慢增長階段(1999—2011年),快速增長階段(2012—2018年),第一階段和第二階段的增長速率分別為0.0043/a、0.0085/a。各分區(qū)植被NDVI在近20年均呈顯著上升趨勢,與研究區(qū)年均NDVI變化趨勢一致,增長速率為II區(qū)(0.0073/a)>I區(qū)(0.0063/a)>III區(qū)(0.0050/a)>IV區(qū)(0.0026/a),II區(qū)NDVI增長最快(圖2)。四個分區(qū)的多年平均NDVI值均高于0.40,植被覆蓋狀況整體較好,II區(qū)最高為0.5954,III區(qū)、I區(qū)次之為0.5616、0.5262,IV區(qū)最低為0.4367。其中II區(qū)的NDVI年際變化波動幅度相比I區(qū)、III區(qū)、IV區(qū)較大,其標準差、標準誤差和變異系數(shù)最大,分別為0.0486、0.0109和0.0817。自1999年來退耕還林還草、封山育林、天然保護林等生態(tài)建設(shè)工程的大規(guī)模實施,該區(qū)域植被類型也隨之發(fā)生了變化,以馬尾松林、杉木林等為主,該樹種不僅成活率高且長勢優(yōu)良,還能夠短時間達到生態(tài)恢復(fù)[39—40]。相關(guān)研究[35]也表明長江上游地區(qū)造林面積最高區(qū)域主要集中于盆周山地的巫溪、巫山、奉節(jié)、云陽、萬州等縣域,造林效率較高,說明該區(qū)在生態(tài)環(huán)境保護和治理方面取得一定成效。

圖2 川渝地區(qū)與各分區(qū)NDVI變化趨勢Fig.2 Variation trend of NDVI in the Sichuan-Chongqing region and different areas

3.2 NDVI空間變化特征

在空間分布上,川渝地區(qū)NDVI呈自東向西逐漸降低的格局,整體表現(xiàn)為II區(qū)(0.60)>III區(qū)(0.56)>I區(qū)(0.53)>IV區(qū)(0.44,圖3)。其中,多年平均NDVI空間分布在I區(qū)和IV區(qū)表現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性,I區(qū)總體上植被覆蓋較好,NDVI高值區(qū)主要分布在東北部平行嶺谷及低山丘陵區(qū),同時低值區(qū)主要集中分布在城市(其中成都和重慶最為明顯)及河流沿岸地區(qū);IV區(qū)NDVI高值主要分布在區(qū)內(nèi)岷江、大渡河、雅礱江等周邊地區(qū),岷山、邛崍山、夾金山、大雪山、沙魯里山等山脈及石渠縣境內(nèi)的NDVI值相對較低。經(jīng)統(tǒng)計:中高植被覆蓋的面積占比最大,達到51.84%,主要分布在I區(qū),且占中高植被覆蓋面積的45.02%,說明四川盆地植被覆蓋較好;其次是高植被覆蓋區(qū)域,占比21.21%,主要分布在II區(qū),占高植被覆蓋面積的41.51%;然后是中植被覆蓋區(qū)域,占整個研究區(qū)面積19.76%,主要集中分布在IV區(qū),且在中植被覆蓋中面積占比達到87.06%;中低植被覆蓋和低植被覆蓋地區(qū)所占比例很少,總和不達10%,主要分布在IV區(qū)?？梢钥闯鲋兄脖桓采w、中低植被覆蓋與低植被覆蓋主要分布在川西高山高原區(qū)。III區(qū)在各個植被覆蓋等級中的占比不是很突出,就III區(qū)單獨而言,該區(qū)以中高植被覆蓋、高植被覆蓋兩個等級為主(圖3,表1)。川西高原地區(qū)因海拔高,氣溫低,氣候干燥寒冷,水熱條件較差,熱量不足,不利于植物生長,植被覆蓋度相對較低。總體來看,川渝地區(qū)植被覆蓋較好,空間上呈現(xiàn)由東到西、由南到北遞減分布。

圖3 1999—2018年川渝地區(qū)NDVI空間分布及變化趨勢Fig.3 Spatial distribution and variation trend of NDVI in the Sichuan-Chongqing region between 1999 and 2018

變化趨勢上,整個區(qū)域的年均NDVI的Sen斜率呈上升趨勢(圖3),變化率在-0.0252—0.0185之間,有91.51%的總面積呈現(xiàn)增長趨勢,且這種增長趨勢以極顯著增加(P<0.01)為主,較小比例的區(qū)域呈現(xiàn)減少趨勢(8.49%),說明近20年川渝地區(qū)內(nèi)植被覆蓋狀況明顯改善。圖3將川渝地區(qū)NDVI變化趨勢劃分為6類,呈極顯著增加、顯著增加、不顯著增加、不顯著減少、顯著減少、極顯著減少趨勢分別占區(qū)域面積的70.40%、8.11%、13.00%、6.81%、0.92%、0.75%。I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)、IV區(qū)整體上NDVI變化趨勢均表現(xiàn)為極顯著增加、顯著增加,主要分布在盆周山地除龍門山斷裂帶、平行嶺谷區(qū)、涼山州、若爾蓋高原等地區(qū)。該地區(qū)多年來以天然保護林、防護林、退耕還林、生物多樣性保護等為載體,積極開展長江、黃河上游生態(tài)屏障建設(shè)及生態(tài)保護修復(fù)[41—45],區(qū)域生態(tài)環(huán)境不斷改善,說明地方政府和社會在生態(tài)環(huán)境保護與治理、生態(tài)文明建設(shè)方面取得一定成就。需要注意的是,呈極顯著減少、顯著減少趨勢主要分布在I區(qū)、IV區(qū),且所占極顯著減少趨勢面積比例分別為56.13%、29.05%,占顯著減少趨勢面積的23.08%、65.79%,I區(qū)主要是以成都、重慶為中心的兩個極顯著減少集聚區(qū),可能因為該區(qū)人類活動頻繁,城市擴張使建設(shè)用地增加,導(dǎo)致植被NDVI減少[46];IV區(qū)主要是以雪寶頂、邛崍山、四姑娘山、夾金山、貢嘎山、格聶山、雀兒山等雪山分布,可能因為該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),這對植被的生長產(chǎn)生不利影響[19]。

3.3 NDVI響應(yīng)特征

川渝地區(qū)1999—2018年氣溫變化呈緩慢增加趨勢,降水呈先減后增的變化趨勢,氣侯整體呈“氣溫升高、降水增多”的波動趨勢(圖4)。為更加清楚地了解各個分區(qū)的植被變化與氣候變化之間的關(guān)系,利用距平值得到各個分區(qū)的氣候變化動態(tài)特征。2012年為1999—2018年川渝地區(qū)各個分區(qū)氣溫變化趨勢的轉(zhuǎn)折點,2012年之前氣溫距平多為負值,之后為正值,氣溫變化均表現(xiàn)為波動上升趨勢(圖5),其中IV區(qū)線性趨勢顯著(P<0.05),I區(qū)和II區(qū)5a滑動平均值基本一致,2012—2018年III區(qū)5a滑動平均值呈正態(tài)分布變化,IV區(qū)呈線性增長。2012年為I區(qū)和II區(qū)降水變化趨勢的轉(zhuǎn)折點,2012年之前降水匱乏,之后有逐年增多的變化趨勢(圖5),2006年出現(xiàn)最低降水距平,I區(qū)相比II區(qū)線性趨勢顯著(P<0.05)。III區(qū)距平值整體呈線性下降趨勢,變化較為平穩(wěn)(除2011年距平值偏離正常年較大,圖5)。IV區(qū)降水整體上表現(xiàn)為波動上升趨勢(圖5),線性趨勢不明顯,2006年之前降水波動較大,之后逐年增多。

圖4 川渝地區(qū)1999—2018年NDVI與氣溫、降水變化趨勢Fig.4 Variation trend of NDVI and temperature and precipitation in the Sichuan-Chongqing region between 1999 and 2018

圖5 1999—2018年川渝地區(qū)各分區(qū)氣溫、降水距平值逐年變化Fig.5 Change of annual temperature and precipitation anomaly in the Sichuan-Chongqing region between 1999 and 2018

空間上,川渝地區(qū)氣溫和降水呈現(xiàn)出與NDVI類似的分布格局,即自東向西逐漸降低。高植被覆蓋區(qū),氣溫在8—16℃之間、降水在600—1200 mm之間;中高植被覆蓋區(qū),氣溫在12℃以上、降水在1000 mm以上;中植被覆蓋區(qū)、中低植被覆蓋區(qū)及低植被覆蓋區(qū),氣溫在12℃以下、降水在800 mm以下,可以看出植被覆蓋空間分布(圖3)與氣溫空間分布更為接近。變化趨勢上,川渝地區(qū)氣溫減少幅度為-0.092—0,增加幅度為0—0.109,顯著增加和減少區(qū)域分別占35.91%、0.54%,氣溫顯著增加區(qū)域主要分布在IV區(qū)(丘狀高原和高平原、沙里魯山—雅礱江以西的高山峽谷)和III區(qū)(大涼山山原、西北部中山峽谷)。降水減少幅度為-10.256—0,增加幅度為0—17.203,顯著增加和減少區(qū)域分別占8.38%、0.99%,降水顯著增加區(qū)域主要分布在綿陽市西北部、九寨溝、茂縣、松潘、龍泉山、石渠西北部等地區(qū)(圖6)。

圖6 1999—2018年川渝地區(qū)氣溫、降水的空間分布、變化趨勢及顯著性Fig.6 Spatial distribution and variation trend of temperature and precipitation in the Sichuan-Chongqing region between 1999 and 2018

為進一步研究川渝地區(qū)植被動態(tài)對氣候變化的響應(yīng),對川渝地區(qū)NDVI與氣溫、降水之間的關(guān)系進行了偏相關(guān)分析(表2)。川渝地區(qū)整體NDVI與氣溫、降水呈正相關(guān),且氣溫(r=0.707,P<0.01)強于降水(r=0.535,P<0.05)。在不同農(nóng)業(yè)地貌區(qū)中,I區(qū)和II區(qū)NDVI與氣溫、降水均呈極顯著正相關(guān),III區(qū)NDVI與氣溫呈輕微正相關(guān),與降水呈弱負相關(guān),IV區(qū)NDVI與氣溫呈極顯著正相關(guān),與降水呈輕微負相關(guān)。由此可見,川渝地區(qū)的植被覆蓋受到氣溫和降水的共同影響,NDVI與氣溫的關(guān)系更顯著。

表2 川渝地區(qū)NDVI與氣溫、降水的偏相關(guān)系數(shù)

圖7表示1999—2018年川渝地區(qū)NDVI與氣溫和降水的偏相關(guān)系數(shù)空間分布,NDVI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)在-0.783—0.918之間,呈顯著正相關(guān)和負相關(guān)區(qū)域分別占39.31%、0.67%,以正相關(guān)為主(圖8)。極顯著正相關(guān)區(qū)域(21.37%,P<0.01)主要分布在I區(qū)東北部地區(qū)、II區(qū)的米倉山-大巴山北緣、巫山-七曜山東北緣地帶及古藺、敘永周邊地區(qū)和IV區(qū)北部丘狀高原和高平原區(qū)(特別是石渠、阿壩、紅原、若爾蓋等縣域),顯著正相關(guān)區(qū)域(17.94%,P<0.05)主要分布在II區(qū)的大相嶺-大涼山一帶及筠連縣和IV區(qū)岷山-邛崍山西北段及以大雪山為界的西部地區(qū),顯著負相關(guān)區(qū)域占比面積極少,在IV區(qū)小金縣境內(nèi)出現(xiàn)一個以四姑娘山為核心的極高負相關(guān)集聚區(qū)(圖7)。NDVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)在-0.897—0.897之間(圖7),呈顯著正相關(guān)和負相關(guān)區(qū)域分別占18.92%、6.29%,以正相關(guān)為主(圖8)。極顯著正相關(guān)(8.06%,P<0.01)和顯著正相關(guān)區(qū)域(10.86%,P<0.05)主要分布在I區(qū)和II區(qū)的東北部平行嶺谷及低山丘陵區(qū),顯著負相關(guān)區(qū)域分布在III區(qū)西部及IV區(qū)(圖7)。

圖7 川渝地區(qū)NDVI與氣溫、降水的偏相關(guān)空間分布Fig.7 Spatial distribution of temperature and precipitation and its partial correlation with NDVI in the Sichuan-Chongqing region

圖8 川渝地區(qū)NDVI與氣溫、降水的偏相關(guān)統(tǒng)計Fig.8 Statistics of temperature and precipitation and its partial correlation with NDVI in the Sichuan-Chongqing region

4 討論

川渝地區(qū)位于中國第一階梯青藏高原、第二階梯長江中下游平原的過渡地帶,復(fù)雜的地形條件使區(qū)內(nèi)氣候類型多樣,作為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)區(qū)及退耕還林工程的實施區(qū)域,對該區(qū)植被NDVI的時空變化研究具有重要意義。本文從農(nóng)業(yè)地貌分區(qū)視角對1999—2018年川渝地區(qū)植被NDVI時空變化進行了分析,并探究了植被變化與氣候變化之間的響應(yīng)關(guān)系。本文采用的NDVI數(shù)據(jù)集是基于SPOT/VEGETATION NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),該衛(wèi)星傳感器是專門為植被動態(tài)地表監(jiān)測設(shè)計的,動態(tài)范圍大,能夠較好地監(jiān)測植被生長[47]。趨勢分析與檢驗方法是一種基于非參數(shù)統(tǒng)計檢驗的方法,不需要樣本遵循特定分布,且適用范圍較廣。

本文對川渝地區(qū)植被NDVI變化趨勢的結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致[31,48],自退耕還林還草工程以來,2000—2018年期間研究區(qū)有23.43%的非林地轉(zhuǎn)為林地,15.02%的非草地轉(zhuǎn)為草地,區(qū)域植被覆蓋狀況得到明顯改善,良好的植被環(huán)境使區(qū)域生態(tài)修復(fù)有很大的提升。而區(qū)內(nèi)植被覆蓋空間異質(zhì)性明顯,可能是由于不同農(nóng)業(yè)地貌分區(qū)的植被類型、土地利用與農(nóng)業(yè)發(fā)展模式不同[25—26,49],導(dǎo)致區(qū)域植被覆蓋存在地域性差異,I區(qū)、II區(qū)以農(nóng)、林、漁業(yè)發(fā)展模式為主,土地利用類型以耕地、林地為主,植被類型主要是農(nóng)作物(54.94%),適宜的光、熱、水條件有利于植被生長與作物種植,以中高植被覆蓋、高植被覆蓋為主;III區(qū)、IV區(qū)以林、牧業(yè)發(fā)展模式為主,土地利用類型以草地、林地為主,草原植被居多(45.14%)。結(jié)合NDVI時間變化與空間變化來看,全區(qū)及各個農(nóng)業(yè)地貌分區(qū)均以極顯著增加趨勢為主,這與該地區(qū)實施天然保護林、封山育林、退耕還林還草、長江上游生態(tài)屏障建設(shè)等工程密不可分[31,35,40—41,48,50]。不過隨著城市化的迅速發(fā)展導(dǎo)致城市擴張,土地利用類型發(fā)生變化,1999—2018年研究區(qū)有43.42%的非建設(shè)用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,面積為3204 km2,占極顯著減少面積的74.87%,其中呈極顯著減少的區(qū)域主要分布在四川成都、重慶城區(qū)、綿陽涪城區(qū)、資陽雁江區(qū)、遂寧船山區(qū)、南充順慶區(qū)等地區(qū),與建設(shè)用地擴張的區(qū)域相吻合,這與其他學(xué)者的研究結(jié)果有較好的一致性[24,31,46,51]。

研究表明,氣溫年際變化與NDVI年際變化之間的相關(guān)性強于降水年際變化與NDVI年際變化之間的相關(guān)性,且不同農(nóng)業(yè)地貌分區(qū)NDVI對氣候變化的響應(yīng)具有差異性。氣溫變化對各區(qū)的影響較為一致,均以正響應(yīng)為主,尤其是對I區(qū)的東北部平行嶺谷及低山丘陵區(qū)、II區(qū)米倉山-大巴山-巫山-七曜山及盆周南緣地帶、III區(qū)大相嶺-大涼山一帶和IV區(qū)的丘狀高原和高平原區(qū),這些地區(qū)植被的生長均表現(xiàn)為明顯的促進作用,其氣溫變化對植被覆蓋的正相關(guān)關(guān)系十分顯著。說明溫度升高不僅會加速冰川積雪融化,為植物提供所需水分,促進灌草植被的生長,還會提高土壤有機質(zhì)(SOM)分解速率,使土壤呼吸速率和微生物活性增強,有助于植被根系的生長發(fā)育[31,52]。NDVI對降水的響應(yīng)具有明顯的區(qū)域差異性,I區(qū)和II區(qū)NDVI與降水變化以正響應(yīng)為主,且正相關(guān)關(guān)系在東北部地區(qū)更為明顯,極顯著正相關(guān)的區(qū)域多分布于I區(qū),該區(qū)作為農(nóng)業(yè)植被區(qū),降水是影響農(nóng)作物生長的主要氣候因子,良好的水熱條件有利于農(nóng)作物植被生長[26,53],其中達州境內(nèi)、通江-平昌-儀隴-營山-蓬安-廣安-前鋒-鄰水一帶、開州-萬州-梁平-墊江-忠縣一帶這些地區(qū)最為明顯,多以水稻種植為主,而水分是水稻生長的主要影響因子。III區(qū)和IV區(qū)NDVI與降水多呈負相關(guān)關(guān)系,可能因為III區(qū)南干北濕,東潤西燥,水熱充足有利于東北部暖濕性植被的生長發(fā)育,而對于河谷和一些山區(qū),降水會導(dǎo)致土壤侵蝕,降低土壤有機質(zhì)含量,影響植被生長,還會加劇對土壤的水蝕強度,造成水土流失,導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害等[3,54]。IV區(qū)處于高山高寒地帶,氣溫偏低,降水的增加會使大氣中水汽含量增多,產(chǎn)生云量,導(dǎo)致日照時數(shù)減少,進而有效輻射量吸收降低,促使氣溫進一步下降,不利于植物進行光合作用,從而抑制了植被的生長[19,55]。本文存在的不足,一是川渝地區(qū)季節(jié)變化明顯,未區(qū)分生長季與非生長季、從季節(jié)尺度分析氣候變化對植被NDVI的響應(yīng);二是僅考慮了氣候變化引起的植被變化,沒有分析人類活動引起的土地覆被變化從而引起的植被變化,為了更全面地估計植被動態(tài)如何受到人為和氣候驅(qū)動因素的影響并量化其各自的分布,需要在未來進一步研究。

5 結(jié)論

本文分析了川渝地區(qū)近20年來植被覆蓋的時空變化特征,以及植被與氣候變化之間的關(guān)系,主要結(jié)論如下:

(1)川渝地區(qū)及各分區(qū)植被NDVI在近20年均呈顯著上升趨勢(P<0.05),整體年際變化率為0.0047/a,2012—2018年與1999—2011年相比NDVI上升趨勢更快,各分區(qū)的增長速率為II區(qū)(0.0073/a)>I區(qū)(0.0063/a)>III區(qū)(0.0050/a)>IV區(qū)(0.0026/a)。

(2)空間上植被呈現(xiàn)出東高西低的總體分布格局,其中盆周山地區(qū)NDVI值最高為0.60,川西高山高原區(qū)NDVI值最低為0.44。從NDVI變化趨勢來看,91.51%的NDVI像元值變化為正,植被呈上升趨勢,近20年來研究區(qū)植被狀況有明顯改善。

(3)川渝地區(qū)整體上NDVI與氣溫和降水呈正相關(guān),且氣溫(r=0.707,P<0.01)強于降水(r=0.535,P<0.05)。I區(qū)和II區(qū)NDVI對氣候變化的響應(yīng)與全區(qū)表現(xiàn)一致,IV區(qū)NDVI與氣溫呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,但與降水的關(guān)系不明顯,III區(qū)NDVI與氣溫和降水的關(guān)系均不顯著,說明不同農(nóng)業(yè)地貌區(qū)NDVI對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系不同。

(4)空間上,川渝地區(qū)NDVI與氣溫呈顯著正相關(guān)區(qū)域占39.31%,主要分布在I區(qū)的東北部平行嶺谷及低山丘陵區(qū)、II區(qū)米倉山—大巴山一帶、III區(qū)大涼山山原和IV區(qū)紅原—若爾蓋高平原及石渠等丘狀高原地區(qū);NDVI與降水呈顯著正相關(guān)區(qū)域占18.92%,主要分布在I區(qū)的東北部平行嶺谷及低山丘陵區(qū)。在III區(qū)和IV區(qū),NDVI與氣溫和降水分別以正相關(guān)和負相關(guān)為主;在I區(qū)和II區(qū),NDVI與氣溫和降水均以正相關(guān)為主。